【读书】未来的房子都飘在空中？
编者按：本文摘自《黑科技》，作者高路；36氪经授权发布。
《回到未来》三部曲中的第二部上映于1989年感恩节期间。这部电影讲述了男主角马蒂和疯狂科学家布朗博士从1985年穿越到2015年（也就是本书出版年份的前一年），而后又穿越回1955年，以及这段奇妙的经历如何影响了他们在1985年的生活。电影深入浅出地解释了时空因果效应，情节妙趣横生，一时风头无双。即使在二十多年后的今天，我们依然可以在百思买的货架上直接买到《回到未来》三部曲的DVD（数字激光视盘），可见这部电影在影迷心目中着实经久不衰。
多年后重看这部电影，最为有趣的一件事情是看20世纪80年代的美国人如何脑补美国在2015年的景象。其中不乏充满调侃意味的搞笑，比方说2015年的年轻人以把兜掏出来穿衣服为时尚（事实证明我们今天不这么穿），通货膨胀如此之高以至于一杯百事可乐要卖50美元，或者是耐克发明了可以自己系鞋带的运动鞋。但也有不少当年的天方夜谭在今天已经成为现实，比方说电影中的可视电话就是我们今天用的FaceTime。不过，真正让我们这一代科幻迷梦寐以求的却是一种叫作悬浮滑板（hoverboard）的交通工具。
顾名思义，悬浮滑板摒弃传统的小轮支撑，而通过其他反重力手段使滑板悬浮于空中（如图1所示）。电影中最为经典的桥段，是几个反派配角和男主角在街头乘悬浮滑板追逐的场景。在第三部中，疯狂科学家布朗博士更是在悬浮滑板上抱得美人归。
我们不妨先后退一步，暂时不要求飞得那么高那么快，先着手于一些简单如悬浮滑板这样的小系统，那么便携式反重力系统的开发和推广就会在一个更为可控的范围之内。物理学中的迈斯纳效应和楞次定律均为反重力系统提供了具有高可行性的解决方案。其中迈斯纳效应是一种量子物理学现象，涉及高温超导；而楞次定律是一种经典力学现象，涉及电场和磁场之间的相互转化。这两种方案呈现了诸多精妙绝伦的物理学原理，而工程实现却又足够简单、廉价，所以相信在不太久远的未来，一些人家的后院、学校的操场或者是小区旁边的公园，就会在传统滑板滑道的旁边架起悬浮滑板滑道，以供人们便捷地体验飞翔的感觉。我也相信，这些玩家中不仅会有年轻人，更会有像我一样的中年人，因为我们玩的不仅仅是黑科技，也是童年的梦想。
后院里的悬浮装置：Lexus vs. Arx Pax
我学医学的太太只能记住我专业领域的一件事情，就是我总喜欢自诩为Magneto（万磁王）。她每每看到磁学的新闻就会跟我提一下。就在2015年6月末的时候，她小心翼翼地告诉我悬浮滑板的原型样机已经试验成功，而且是由著名的Lexus（雷克萨斯，对于我们这一代人来说更乐意称之为凌志）车厂推出，利用的就是磁性。作为一个既热爱磁学又热爱电影的人，十分痛心自己错过了一次创造历史的机会。后来仔细看了Lexus的广告，略觉欣慰，因为Lexus并不是要推出悬浮滑板，而是用其作为一种噱头来卖车。图2（左）为Lexus研发的悬浮滑板示意图，广告中主人公脚踏悬浮滑板飞跃Lexus在2015年推出的新款车。请注意滑板的两侧在冒白烟，我将在下一节解释原因。
这个广告的设计非常精巧：其一，Lexus在美国首次亮相并推出了第一款车正是《回到未来2》上映的那一年，即1989年；其二，2015年距《回到未来1》上映正好三十周年；其三，当年看《回到未来》那一代的年轻人（也就是最迷悬浮滑板的那一代人）现在处于35岁到45岁之间，最有消费能力去购买Lexus的新款车。所以Lexus就利用这一代消费者的群体记忆制作了这个广告，并且提出了一个口号叫作“Amazing in Motion”。这无非是在暗示，即便今天你还买不到一个悬浮滑板，但是你却可以买到一辆Lexus的车，圆一个儿时的悬浮梦。
Henderson的个人经历颇具传奇色彩。此人西点军校工程系出身，十年军事生涯，退役后一直在美国顶尖的建筑事务所工作，一直做到合伙人，而后来到硅谷创业。他的公司仍然处于初创阶段，不过30人左右的规模，却集中了毕业于美国最顶尖院校的工程师和设计师。在我看来，他们是一群天才的梦想者，也将是新一代娱乐方式的创造者。
然而对于Henderson来说，悬浮滑板仅仅是开胃菜，“空中楼阁”才是他的终极目标。也就是说，个人娱乐产品远远不能满足Henderson的野心，从根本上颠覆建筑业才是他真正的着眼点。根据他的网站说，有一天他在遛狗的时候思考了这样一个问题：如果我们可以实现磁悬浮列车，为什么不能建造磁悬浮房屋？
可是为什么要建造磁悬浮房屋呢？
为了抵抗地震和洪水。
我客居美国多年，辗转于东北、东南和中南诸地，最近才搬到了位于西海岸的硅谷。个人认为在这所有的地方之中，硅谷的自然环境是最差的——常年干旱植被荒芜倒也罢了，更要命的是旧金山地区处于地震带上。君不见好莱坞电影中，纽约往往毁灭于外星人入侵（例如《复仇者联盟》），而加州往往毁灭于地震（例如《末日崩塌》和《2012》）。虽然电影中描述的那种毁灭性的地震百年难遇，但是各种小震从不间断。美国的住宅以一两层的木质结构居多，抗震性较差，轻则裂缝，重则倒塌，更难以抵抗大地震。另外一项美国居民常见的灾害是洪水，例如2005年袭卷美国南方诸州的卡特里娜飓风便引发了洪灾。有调查显示，在美国每年由洪水引发的经济损失在20亿到40亿美元之间。［2］ 居民的损失往往是双重的：其一为直接经济损失；其二是在灾难过后，房屋保险会大幅提高，长远来看，这也是一笔巨大的花销。
然而从另外一个方面来看木制房屋，其轻便的特点又可以加以利用。Henderson认为磁力既然能够托起磁悬浮列车这样沉重的钢铁结构并且使之高速行驶，那么为什么不能托起比磁悬浮列车轻便得多的住宅呢？一旦住宅和地壳之间存在一个缓冲层，那么地震波就无法直接作用于住宅之上，而是被缓冲层吸收，这样就能确保建筑物的安全。更进一步讲，如果加大磁场（例如另加一个由电流控制的电磁铁），就可以把房屋升得更高一些，洪水就不会溢进屋了。图3为这项技术的示意图。Henderson认为磁悬浮是最为高效、简易并且廉价的方法来形成并保持这些缓冲层。
当我读完Henderson的这项专利书之后，只觉得这恐怕就是磁学极致“暗黑”的应用了吧。
磁悬浮背后的博弈：迈斯纳效应vs.楞次定律
Lexus和Arx Pax虽然都创造出了悬浮滑板，但应用的物理原理并不相同。前者为迈斯纳效应，涉及高温超导，是一种量子力学现象，需要在低温条件下实现；后者基于楞次定律，可在常温下实现，是一种经典电动力学的现象。简单来说，日本的磁悬浮列车采用超导悬浮技术，利用了迈斯纳效应；而中国浦东机场的磁悬浮列车采用常导磁悬浮，利用了楞次定律。
Lexus的解决方案：迈斯纳效应
磁性是一个笼统的概念，里面可细分为很多类，包括顺磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性、反亚铁磁性以及抗磁性等。在日常生活中，我们接触到的磁性以顺磁性和铁磁性居多。我们都知道可以用一块磁铁找到掉在地上的针，就是因为磁铁具有铁磁性，而针则具有顺磁性。1 图4（a）解释了顺磁材料被磁化的物理过程：磁铁1在周围的空间形成一个磁场的分布，如图中箭头所示；铁制的针感磁，在外加磁场中被磁化产生南北二极，于是成为了磁铁2；顺磁材料磁化的方向总与外加磁场方向相同（这也是顺磁性这一术语的由来），导致磁铁和被磁化的顺磁材料相反的两极总相对，于是异性相吸，一根针就可以被磁铁隔空吸引过来。
那么有没有这样一种材料，其磁化的方向与外加磁场相反从而产生斥力？答案是肯定的，而这种性质就被称为抗磁性。图4（b）所示为抗磁材料的磁化过程。抗磁材料不会被磁铁吸引，反而会被推开。
可是仅依靠抗磁性很难在现实中实现磁悬浮，原因在于上文所列举的抗磁材料对外加磁场并不那么敏感（即磁化率很低），所以产生的抗磁力往往很微弱。前文所叙能够举起青蛙的磁铁需要有42特斯拉的强度，而一般工业中用的最强的永磁铁，比如钕铁硼磁铁（NdFeB），其磁场强度也不超过1.5特斯拉。也就是说用普通的磁铁和抗磁材料来实现磁悬浮是不现实的。
图2中悬浮滑板在冒白烟就是因为在滑板中安装了高温超导材料——石墨，并由液氮冷却使其温度低于临界温度，液氮不断蒸发，从两侧泄漏，所以看起来滑板在冒烟。而地面下又铺设了一层磁铁，于是处于超导态的石墨和磁铁之间产生巨大的抗磁力以至于可以支撑起一个人的重量。
如果读者有兴趣，可以自己动手做一个简单的实验，只需一块热解石墨（pyrolytic graphite）、几块磁铁和一些液氮。前两者大概100元人民币就可以买到，液氮可以在大学的实验室或者是液氮冰激淋店得到。试验时先把磁铁静置于石墨之上，再把液氮倾倒于石墨之上，使其冷却到超导临界温度以下，以诱发迈斯纳现象。磁铁和石墨之间产生抗磁力，就会出现如图6所示的磁悬浮现象。
Arx Pax的解决方案：楞次定律
高中物理学是这样叙述楞次定律的：感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因。说得通俗一些，导体感应外加磁场的变化产生感应电流，电流又可以诱发磁场，而被诱发的磁场方向又总和外加磁场相反。也就是说，外加磁场和诱发磁场相当于两块磁铁总是同极相对，于是产生斥力，而利用这种斥力也可以实现磁悬浮。图7所示为楞次定律示意图。当一块磁铁（北极向右，南极向左）向右移动靠近螺线圈时，螺线圈感应到周围磁场的加强产生感应电流；根据右手定则，感应电流诱发磁场。此时等价于磁铁在靠近另外一块北极面左而南极面右的磁铁，并且两块磁铁总是同极相对，于是永磁铁和螺线圈之间产生斥力。
读者还可以做一个简单的验证实验。这个实验需要一个约30厘米长的空心铜管，一块磁铁和另外一块没有磁性的金属小块，如铝块；注意空心半径略大于小块即可。先竖直放置铜管，再把磁铁和铝块分别放入铜管使其自由滑落。虽然铜这种材料不会吸附磁铁，但磁铁下落的速度明显慢于铝块的下落速度。这就是楞次定律的应用：铜管感到周围磁场的变化，产生感应电流，感应电流又产生感应磁场从而对磁铁产生斥力，所以磁铁下降的速度就被减慢了。
“黑”磁性
除了磁悬浮之外，磁性还有着其他五花八门的应用。这一小节将介绍一些有趣的磁学应用和研究领域。
磁性细胞分选技术
细胞分选对于生物研究、生物医学工程和临床医学都是不可或缺的步骤。以骨髓移植手术为例，骨髓捐献者所提供的样品包含多种细胞，不能直接用于移植，需要先把骨髓细胞隔离出来进行纯化和培养，否则会发生危险的排异现象。于是细胞分选便成为了骨髓移植中异常关键的一步。人类细胞非常小，直径在5～10微米，传统的操作和工具难以进行分选，此时就要引入纳米技术。总体来说荧光分选（Fluorescent-Activated Cell Sorting，简称FACS）和磁性分选（Magnetically-Activated Cell Sorting，简称MACS）是最为主流的手段，而且都需要具有生物兼容性的纳米粒子（biologically compatible nano particle）。在美国，磁性细胞分选因为能够保证分离腔不受过去样品的影响，是最为广泛应用于临床的分选手段。具体来讲，很多细胞在其表面会具有一些特定的分子，即分化簇（Cluster of Differentiation，简称CD）。以从血液样品中分离淋巴细胞为例，其基本步骤如图8所示。某些淋巴细胞的分化簇为CD12，于是我们可以方便地在顺磁纳米粒子表面植入CD12的配体（ligand），再将这些纳米粒子和细胞样品混合。因为一种分化簇只和特定的配体结合（类似于抗体和抗原），所以血液样品中那些具有CD12的淋巴细胞会被磁性纳米粒子吸附；接下来仅需一块磁铁牵引住这些被磁性标记的淋巴细胞，倾倒其他细胞，于是特定的淋巴细胞就从血液样品中分离出来了。
磁性微结构组装
上文中所说的抗磁材料具有颇为“叛逆”的特性，可惜在常温下磁化率太小难有用武之地。保留磁性微结构组装的研究另辟蹊径，在常温的情况下使顺磁和抗磁两种粒子共存，并且通过改变外加条件使两种粒子相互作用从而产生各种奇异的微观结构。用磁流体（由大量半径在50纳米左右的铁磁性纳米粒子构成）、顺磁（铁的氧化物）微粒子和聚苯乙烯（通俗讲就是塑料）微粒子就可以实现一系列微观晶格结构的组装（Colloidal Crystal assembly）。具体来说，在水中加入一些磁流体以提高介质的磁化率；于是在这样的介质中，原本不感磁的聚苯乙烯粒子因为磁化率低于周围的介质而展现出抗磁性，而顺磁粒子则继续展示顺磁性，于是二者产生很多有趣的作用。［6］ 这类技术的一个潜在应用是3D微纳米结构的成型。具有特定晶格结构的微纳米材料可用于操控光波、声波和热传递。例如对电磁波、光波和声波隐蔽的材料往往需要极为特殊的晶格结构。如果有一天我们能够任意地控制晶格结构的形成，我们就可以任性地创造出各种自然中不存在的材料，譬如《哈利·波特》中的隐身衣。
磁冰箱
电冰箱利用制冷剂的液化和汽化来制冷，而磁冰箱则利用热磁材料的磁化和去磁化制冷。二者的原理都基于熵变。通俗来讲，熵表征了构成物质的原子或分子的无序状态。假想一块材料由很多磁旋子组成（所谓磁旋子就像指南针一样，拥有南北二极可以自由旋转），如果这些磁旋子的指向完全随机，熵值就很高，从整体来看物质就不具备磁性。我们平时接触的水、空气和桌子都处于这种状态。与此相反，如果磁旋子的指向都相同，系统的熵值很低，从整体来看物质就具备磁性，例如磁铁。有趣的是，热力学认为只要温度足够低，任何物质，包括木头、水、空气，甚至是人体，都具有自发的磁性。这是因为原子的无序的热运动会随温度的降低而减少，相应的熵值也会变低，从而使得磁旋子统一指向。
磁冰箱不需要压缩机，却需要一块热磁材料和一块电磁铁，其工作原理如图9所示。从a到b，电磁铁开启产生磁场来磁化热磁材料，热磁材料被磁化时熵值降低并且放热。由b到c，热磁材料产生的热能被释放到周围的空气之中，温度降低并趋于稳定。从c到d，将热磁材料靠近冰箱并关闭电磁铁，此时热磁材料熵值升高并且吸热，于是冰箱中的热量被转移到热磁材料之中从而实现制冷。通过循环a到d这种制冷办法甚至能够把温度降低至0.3--，逼近绝对零度（－273.15℃）。
磁单极子
细心的读者会发现，刚刚提到的所有磁铁都有南北二极，没有单独存在的南极或者是北极。经典物理学认为磁的本质是电，然而电磁二者有一个明显的区别，即带电体可以以单极子的形式存在，例如电子只带负电而质子只带正电，然而磁体总是二极共存，即以偶极子的形式存在。目前还没有确凿的证据显示磁单极子（即某种磁荷仅有南极或仅有北极）存在。如果我们把一块磁铁从中截开，那么两块小磁铁就会马上产生新的南极或北极以保证自己是偶极子。所以从根本上讲，磁铁的产生不是因为同极磁荷的聚集，而是因为大量磁偶极子的有序排列。
磁单极子对于完善物理学模型亦有重要意义，也是物理学家孜孜以寻的一种存在。举一个简单的例子，百年来物理学家和数学家对麦克斯韦方程组都不能完全释怀，就是因为缺少了磁单极子，这组方程的对称性就减了一分，美感也就减了一分，这也算是一种书呆气十足的美学追求吧。然而冷酷的事实是，在已知的物理研究之中，大至外太空，小至原子核，温度高如热核反应，温度低如绝对零度，无数才华横溢的物理学家为此呕心沥血，仍然没有任何确凿证据证明磁单极子的存在。
有一次我问教量子力学的老师：量子力学是否定还是肯定磁单极子的存在。这位老师岔开话题，给我讲了他的老师Blas Cabrera教授的一则往事。Cabrera教授是斯坦福大学（硅谷的心脏）物理系的教授。早在1982年，他就声称自己在实验中发现了磁单极子，并 且在物理学界最权威的期刊《物理评论快报》发表了结果，不过也老实地指出这次实验仅捕捉到了一个磁单极子。事后Cabrera本人和其他实验小组投入了大量的人力物力去重复这个实验以证明磁单极子的存在，可惜都无功而返。时至今日，磁单极子依然是物理学中一个悬案。而Cabrera的这次发现，因为孤证不立，并没有给物理学带来一场新的革命，而更多地成为了物理学家和如我这样的物理学票友的一种谈资。
事实上磁悬浮滑板涉及的物理学原理早已为人们所知：楞次定律早在1834年就已经被提出；超导现象发现于1911年，而迈斯纳效应发现于1933年。过去磁悬浮技术的焦点在运输业，而硅谷则要把这些已经熟知的物理原理推到一个更“黑”，更为颠覆，但是同时又更接近大众的领域。以大众消费者为终极目标是硅谷科技公司最重要的一个特征，这也解释了为什么硅谷人总喜欢把“用户体验”这四字箴言挂在嘴上。就拿我的工作来举例，我要花相当可观的时间和公司的艺术家做斗争。因为这些艺术家根据用户体验划定产品设计的框架，于是从美感上固然没得挑，但是其研发难度也呈几何倍数加大。于是工程师们就绞尽脑汁围绕这些框架做设计，真是白首穷经，艰苦卓绝。
然而这就是硅谷精神之所在，即不断发掘和满足消费者的需要，不论这种需要多么“逆天”。于是我们有了允许你通过旋转拇指选择歌曲的音乐播放器，志在给你10的10次方个结果的搜索引擎，可以在驾驶座椅上任性打游戏的无人驾驶汽车，给你的生活和职业带来极大方便的社交网络，有如贴心管家一般照顾你生活起居的恒温仪，甚至是带来飞翔快感的磁悬浮滑板和抵抗自然灾害的悬浮房屋等等黑科技。
硅谷的成功之道从来都不仅仅是技术，理想主义甚至是天马行空的白日梦永远是保持公司活力不可或缺的元素。正如《回到未来》中的一句台词所说的那样：“如果我的计算准确的话，你将会看到令人震惊的结果。”
